DE1439838B2 - Feldemi s si ons-Ionen-Mi kro skop - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Feldemissions- Eine Abbild-Intensivierung irgendwelcher Art ist Ionen-Mikroskope mit einer Ionen emittierenden deshalb notwendig, und die Umwandlung in ein Elek-

Anode, einer Kathode, einem ersten im Strahlengang tronabbild ist der erfolgversprechenste Weg, dies zu

des von der Anode ausgehenden Ionenstrahlenbiin- erreichen. Zwei Typen von Ionen-Elektronen-Um-

dels quer zur Bündelachse angeordneten Metallgitter, 5 wandler sind vorgeschlagen worden: Dünne FiIm-

an dessen der Anode zugekehrten Oberfläche die übertragungs-Umwandler und Rückreflexions-Um-

Ionen Sekundärelektronen auslösen, und einem Leucht- wandler. Keines dieser beiden arbeitet jedoch zufrie-

schirm, der auf einem in bezug auf das erste Gitter denstellend in Feldemissions-Ionen-Mikroskopen.

positiven Potential liegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Feldemissions-Ionen-Mikroskope werden zur Un- 10 Feldemissions-Ionen-Mikroskop der angegebenen Art

tersuchung von schwerschmelzbaren Metallen und zu schaffen, welches eine verbesserte Ionen-Elektro-

Metallegierungen verwendet. Das Objekt hat die nen-Umwandlung aufweist.

Form eines feinen Drahtes, dessen glatte, halbkugel- Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß, in

förmige Spitze auf einen Radius von einigen hundert Strahlrichtung gesehen, vor dem ersten Metallgitter

Ängströmeinheiten elektrisch poliert worden ist. Das 15 ein zweites Metallgitter parallel zu dem ersten ange-

Objekt wird zwischen zwei Wolframstäben, welche in ordnet ist, das auf einem Potential liegt, welches die

einem evakuierten Glaskolben eingeschmolzen sind, Ionen auf ihrem Weg vom zweiten zum ersten Gitter

befestigt. In diesen Kolben wird Helium, welches ge- entweder beschleunigt oder abbremst,

wohnlich als das die Abbildung vermittelnde Gas ver- Das erfindungsgemäße Feldemissions-Ionen-Mikro-

wendet wird, bei einem Druck von 5 · 10~³ Torr ein- 20 skop wird nunmehr an Hand der es beispielsweise

gelassen. Die Spitze, die bis zur Temperatur des flüs- wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar

sigen Stickstoffs abgekühlt wird, wird auf einem zeigt

hohen Potential relativ zu einem fluoreszierenden F i g. 1 graphisch einen Teil des Mikroskopkopfes,

Schirm gehalten. während

Das Helium ist im Gebiet des starken elektrosta- 25 F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der F i g. 1

tischen Feldes um die Spitze herum ionisiert, und wiedergibt.

die Ionen, welche von dem Feld mit hoher Stärke Sehr kurz gefaßt, weist das Mikroskop das Mikro-(typischerweise 4 Volt pro Angström) radial zurück- skop-Kopfstück auf, welches in vakuumeingeschmolgeworfen werden, treffen auf den fluoreszierenden zener bzw. -dichter Glaskolben oder sonstiges -gefäß Schirm und formen so das Abbild, Atome, welche 30 ist, und ein Vakuumsystem, welches den Kolben bis aus dem Objekt ausgestoßen werden, beispielsweise zu einem Basis- oder Hintergrunddruck von ungejene an den Kanten von Gitterebenen, ergeben eine fähr 1 · 10~⁸ Torr pumpt bzw. evakuiert, sowie Baulokale Feldverstärkung und hohe Ionen-Stromdichten teile, um Helium in dem Glaskolben bei einem Druck auf dem Abbild, wodurch Abbildpunkte zu der Atom- von ungefähr 5-1O^-3 Torr einlecken oder -fließen Oberflächenstruktur in Beziehung gesetzt oder ge- 35 zu lassen,
bracht werden können. Gemäß F i g. 1 ist das Objekt 1, welches elektro-

Die Verstärkung ist ungefähr gleich dem Verhält- geschliffen oder -poliert worden ist, und zwar zu

nis des Abstandes von der Spitze nach dem Schirm, einem halbkugelförmigen Spitzenteil mit einem Ra-

einerseits, zu dem Radius der Krümmung der Spit- dius von ungefähr 100 Angström, zwischen zwei glas-

zenfläche, andererseits, und ist beispielsweise 10⁶. 40 überzogenen Wolframstäbchen 2 angeordnet, welche

Die Feldionisation beginnt oder setzt ein bei dem aus dem Flüssig-Stickstoff-Einlaß 3 in den Kolben

Feld/⁷,., welches als Abschaltfeld bekannt ist und hineinragen. Das Objekt 1 wird umgeben von einer

sowohl von dem Metall als auch dem Gas, welches zylindrischen Kupferkathode 4.

ionisiert wird, abhängt. Bei genügend hohen elektro- Mit Abständen zu der Kathode 4 und senkrecht zu

statischen Feldern können Metalle ohne thermische 45 deren Achse sind ein Kupfergitter 5, ein Kupfergitter 6

Einwirkung zum Verdampfen gebracht werden. Die und eine fluoreszierende Schicht 7, welche eine auf

Feldstärke, bei der diese Verdampfung beginnt, F_c, einer Glasplatte 9 aufgetragene Phosphorschicht 8

ist ein Charakteristikum des Metalls und hängt stark aufweist, vorgesehen, welche unterhalb der Schicht 8

von der Bindungsenergie des Metalls ab. mit einer durchsichtigen stromleitenden Schicht 10

Um ein andauerndes Abbild zu erhalten, welches 50 aus Zinnoxid überzogen ist.

photographiert werden kann, sollte F_e ungefähr 20 °/o Das Gitter 5 hat 350 Drähte pro Zoll und ein Übergrößer als F_c sein. Aus diesem Grunde sind nur die tragungs- bzw. Übersetzungsverhältnis von 0,7. Das feuerbeständigen bzw. schwerschmelzbaren Metalle Gitter 6 weist 200 Drähte pro Zoll und ein Uberset- und Legierungen mit hohen Bindungsenergien zu zungsverhältnis von 0,4 auf. Auf der Oberfläche, die Studien mit einem Helium-Feldionen-Mikroskop ge- 55 dem Objekt 1 benachbart ist (weiterhin als die obere eignet. Oberfläche bezeichnet), ist das Gitter 6 mit Aluminium

F_c ist niedriger bei Neon und Argon, so daß Neon- überzogen, während dessen untere Oberfläche mit

und Argon-Ionen-Feld-Mikroskope für einen größe- Gold überzogen ist.

ren Bereich von Materialien verwendbar sind. Die Gitter 5 und 6 sind kreisförmig bzw. zylin-

Feld-Ionen-Mikroskope haben den Nachteil — so- 60 drisch und sind durch kreisförmige Kupferringe be-

gar wenn Helium verwendet wird, welches ein besse- festigt, und zwar mittels eines Klebemittels festgelegt,

res Ion-Photon-Umwandlungsverhältnis hat als Neon Das Gitter 6 ist ungefähr 1 mm entfernt von der fluo-

oder Argon —, daß das Abbild, welches auf dem reszierenden Schicht 7 angeordnet,

fluoreszierenden Schirm abgebildet wird, extrem Dem Mikroskop-Kopfstück zugeordnet ist eine

schwach ist. Photographische Belichtungszeiten von 65 Hochspannungsquelle 11, von welcher Verbindungen

10 Sekunden bis 30 Minuten werden benötigt auch nach den Wolframstäben 2, der Kathode 4, den Git-

mit einer fl-Linse und der schnellstwirksamen verfüg- tern 5 und 6 und der Schicht 10 führen,

baren photographischen Emulsion. Die Arbeitsweise ist wie folgt: Die Spannungs-

quelle 11 Mit diejenigen Teile des Mikroskop-Kopf-; Stückes, welche mit ihr verbunden sind, auf einem geeigneten Arbeitspotential relativ zur Erde. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel sind diese Potentiale: Stäbe 2 (und somit das Objekt) 0 bis 20 Kilovolt positiv, die Kathode 4 und das Gitter 5 von 20 Kilovolt negativ bis 10 Kilovolt positiv und die Schicht 10 10 Kilovolt positiv. Das Gitter 6 ist geerdet.

Somit ist das Objekt 1 relativ zu dem Gitter 6 auf einem hohen Potential. Helium-Ionen, welche vom Spitzenteil des Objektes 1 abprallen, bewegen sich radial nach außen, wie die unterbrochenen Linien 12 andeuten, und formen ein Abbild auf dem Gitter 6. (Das Vergrößerungsverhältnis des Gitters 5 ist so, daß die meisten der Ionen es passieren, und das Potential des Gitters 5 sei für den Augenblick unbeachtet.)

Wie sich auch aus F i g. 2 ergibt, erzeugen Ionen, welche tatsächlich auf der oberen Oberfläche des Gitters 6 auftreffen, Sekundärelektronen, wobei der Faktor der Sekundäremission von Elektronen bei AIur , minuim so ist, daß für jedes aufgetroffene Elektron i' etwa zehn Elektronen erzeugt werden, und diese Elektronen durch das Gitter 6 dringen (durch die unterbrochene Linie 13 veranschaulicht) und ein siehtbares Abbild auf der fluoreszierenden Schicht 7 bilden. Die Schärfe dieses Abbildes ist hauptsächlich abhängig von der Enge des Gitters und seinem Abstand von der fluoreszierenden Schicht 7. Die Elektronen neigen etwas dazu, zu divergieren, wenn sie von dem Gitter 6 nach der fluoreszierenden Schicht 7 fliegen, wobei, falls gewünscht, ein geeignetes axiales Magnetfeld erzeugt werden kann, welches dieser Neigung entgegenwirkt.

Bei niedriger Ionen-Energie dringen einige Ionen durch das Gitter 6 hindurch, und sie werden dann — wie durch die unterbrochennen Linien 14 veranschaulicht — zurückgezogen, um dann auf die untere Oberfläche des Gitters 6 aufzutreffen, wo sie Sekundärelektronen erzeugen. Diese erzeugen ein zweites, leicht vergrößertes Abbild auf der fluoreszierenden Schicht 7.

Der Neigung, ein solches zweites Abbild zu bilden, '·■; wird im wesentlichen wie folgt entgegengewirkt bzw. unterdrückt. Erstens wird die Anzahl der Ionen, welche auf die untere Oberfläche des Gitters 6 auftreffen, reduziert. Dies wird erreicht durch die Wahl des Potentials des Gitters 5 und kann in eine der beiden Richtungen wirken. So wird ein geeignetes negatives Potential die Ionen derart abbremsen, daß sie das Gitter 6 mit kleiner Energie erreichen, und dann tritt geringes Durchdringen auf. Alternativ beschleunigt ein geeignetes positives Potential die Ionen so, daß solche, welche das Gitter 6 durchdringen, auf der fluoreszierenden Schicht 7 gesammelt werden.

In jedem der Fälle können immer noch Ionen auf die untere Oberfläche des Gitters 6 auftreffen. Zweitens wird daher diese Oberfläche mit einem Material überzogen — Gold im vorliegenden Falle —, welches einen niedrigen Faktor der Sekundäremission von Elektronen aufweist.

Wie bereits erwähnt, ist es wünschenswert, bei bestimmten Formstückmaterialien andere Abbildgase (Edelgase), wie Neon oder Argon, zu verwenden, wobei die Erfindung in diesen Fällen ebenfalls angewandt werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Feldemissions-Ionen-Mikroskop mit einer Ionen emittierenden Anode, einer Kathode, einem ersten im Strahlengang des von der Anode ausgehenden Ionenstrahlbündels quer zur Bündelachse angeordneten Metallgitter, an dessen der Anode zugekehrten Oberfläche die Ionen Sekundärelektronen auslösen, und einem Leuchtschirm, der auf einem in bezug auf das erste Gitter positiven Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung gesehen vor dem ersten Metallgitter (6) ein zweites Metallgitter (5) parallel zu dem ersten angeordnet ist, das auf einem Potential liegt, welches die Ionen auf ihrem Weg vom zweiten zum ersten Gitter entweder beschleunigt oder abbremst.

2. Feldemissions-Ionen-Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle an das zweite Gitter (5) ein solches Potential anlegt, daß Ionen das erste Gitter (6) mit einer solch niedrigen Energie erreichen, daß nur wenige Ionen dieses durchdringen.

3. Feldemissions-Ionen-Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle an das zweite Gitter (5) ein solches Potential anlegt, daß Ionen das erste Gitter (6) mit so großer Energie durchdringen, daß sie auf dem fluoreszierenden Schirm (7) auftreffen.

4. Feldemissions-Ionen-Mikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schirm (7) zugewandte Oberfläche des ersten Gitters (6) einen Überzug aufweist, der aus einem Material mit niedrigem Sekundärelektronen-Emissionskoeffizienten besteht.

5. Feldemissions-Ionen-Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Gold besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen